293 https://doi.org/10.9713/kcer.2020.58.2.293
PISSN 0304-128X, EISSN 2233-9558
Ferric chloride 를 이용한 Eucheuma spinosum으로부터 플렛폼 케미컬의 생산
정귀택† · 김성구 부경대학교 생물공학과 48513 부산광역시 남구 용소로 45
(2020년 2월 13일 접수, 2020년 3월 9일 수정본 접수, 2020년 3월 16일 채택)
Conversion of Red-macroalgae Eucheuma spinosum to Platform Chemicals Under Ferric Chloride-catalyzed Hydrothermal Reaction
Gwi-Taek Jeong† and Sung-Koo Kim
Department of Biotechnology, Pukyong National University, 45, Yongso-ro, Nam-gu, Busan, 48513, Korea (Received 13 February 2020; Received in revised form 9 March 2020; accepted 16 March 2020)
요 약
홍조류인 Eucheuma spinosum은 카라기난을 주된 다당으로 함유하고 있으며 Indonesia, Malaysia, Philippines, China, Tanzania 등지에서 상업적으로 생산되고 있다. 본 연구에서는 E. spinosum을 대상으로 FeCl3-촉매 수열반응을 통하여 당과 화학중간체(5-HMF, levulinic acid, formic acid)로 전환하고자 하였다. 통계적 실험법(3-수준-3-인자의 Box-Behnken design)을 적용하여 반응인자(반응온도, 촉매농도, 반응시간)의 최적화와 영향을 평가하였다. 최적화 결과, 5-HMF의 농 도는 160 °C, 0.4 M FeCl3, 10 min에서 2.96 g/L가 생성되었다. Levulinic acid와 formic acid의 최적 조건은 200 °C, 0.6 M FeCl3, 30 min으로 결정되었고, 농도는 각각 4.26 g/L와 3.77 g/L이었다.
Abstract − Eucheuma spinosum, red macro-algae, contains carrageenan as the major polysaccharide and is commercially produced in Indonesia, Malaysia, Philippines, China and Tanzania. In this study, E. spinosum was converted to sugar and platform chemicals (5-HMF, levulinic acid, formic acid) via FeCl3-catalytic hydrothermal reaction. In addition, statistical methodology (3-level 3-factor Box-Behnken design) was applied to optimize and evaluate the effects of reaction factors (reaction temperature, catalyst concentration and reaction time). As a result of optimization, the concentration of 5-HMF was obtained to be 2.96 g/L at 160 °C, 0.4 M FeCl3 and 10 min. Optimal conditions of levulinic and formic acids were determined at 200 °C, 0.6 M FeCl3 and 30 min, and the concentrations were obtained to be 4.26 g/L and 3.77 g/L, respectively.
Key words: Euchema spinosum, Platform chemicals, Ferric chloride, Hydrothermal reaction
†To whom correspondence should be addressed.
E-mail: [email protected]
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1. 서 론
석유와 석탄과 같은 화석자원으로부터 많은 화학 원료를 생산하여 사용했으나, 화석자원의 고갈과 환경오염, 기후변화의 우려로 화석 자원을 대체할 자원에 대한 탐색이 진행되고 있다[1,2]. 화석자원으 로부터 생산되는 화학 원료를 대체하기 위해 재생 가능한 자원 유 래의 탄수화물(carbohydrate), 지질(lipid), 리그닌(lignin) 등을 생물 공정 또는 열화학 공정을 이용하여 확보하고자 하고 있다[1-6]. 최 근에는 해양자원인 거대 해조류를 이용한 바이오에너지 및 화학 원료
생산과 관련된 연구가 진행 중에 있다[7-12].
홍조류인 Eucheuma spinosum은 Indonesia, Malaysia, Philippines, China, Tanzania, Kiribati 등지에서 상업적으로 생산되고 있다[13].
Euchema 종에 함유된 주된 다당(polysaccharides)은 카라기난 (carrageenan)으로 알려져 있다. 카라기난은 선형의 다당으로 galactose residue와 3,6-anhydrogalactose residue로 구성된 galactan으로 알 려져 있다[13,14]. 본 연구에서는 E. spinosum에 함유되어 있는 다 당 성분을 화학중간체 생산의 자원으로서의 가능성을 연구하고자 하였다. 또한, 본 연구에 촉매로 사용한 ferric chloride (FeCl3)는 다 양한 분야에 사용되는 루이스 산(Lewis acid)으로 낮은 가격, 무독성, 그리고 풍부하다는 특성 때문에 다양한 바이오매스의 전처리나 전 환 반응에 사용되고 있으나 해조류에 대한 연구는 미미하다[15,16].
미국 에너지성에서는 향후 화석자원으로부터 생산되어왔던 다양 한 종류의 화학물질과 중간체들을 대체하기 위하여 당(sugar)으로
부터 생물학적 공정과 화학 공정을 통하여 12가지의 기본 구성화합 물을 얻을 수 있다고 발표하였다[17]. Levulinic acid (LA)는 기본 구성화합물 중 하나이며, 그 유도체들은 화석자원 유래의 화학중간 체들(디젤 연료 첨가제, 살충제, 고분자 단량체 등)을 대체 가능하 다고 알려져 있다[2,7,8,18,19]. 5-Hydroxymethylfurfural (5-HMF)는 액체 연료나 고분자 빌딩블럭(polymer building blocks)으로 사용될 수 있는 다양한 화학물질(2,5-bis(hydroxymethyl)tetrahydrofuran, 2,5- dihydroxymethylfuran, 2,5-dimethylfuran, 5-furandicarboxylic acid 등)의 전구체로 사용될 수 있다[3,4]. Formic acid (FA)는 가장 단순 한 카복실산이며, 탄화수소의 액상 산화 과정을 통한 아세트산 생 산 과정에서 부산물로 주로 생성되었다[2,20,21]. 그러나 바이오매 스 자원으로부터 열화학 반응 과정 중에 당으로부터 LA와 같이 FA가 생성되고 있다[2,10,11]. 이러한 FA는 석회질 제거, 유기 에스 테르 조제, 사일레이지 및 동물 사료 보존, 가죽 및 태닝, 직물, 포름 염, 약품 및 식품 화학물질, 고무 화학물질, 촉매, 가소제 등 다양한 산업 분야에 적용되고 있다[2,20,21]. 또한, FA가 연료전지의 친환 경적인 수소 저장매체로서 주목받고 있다[22].
본 연구에서는 홍조류인 E. spinosum을 대상으로 수열전환반응을 통하여 바이오연료로 전환 가능한 화학중간체(platform chemicals)로 전환하는데 사용 가능한 잠재력을 평가하기 위하여 FeCl3촉매와 반응표면분석법을 적용하였다.
2. 재료 및 방법 2-1. 실험재료
실험재료로 사용한 E. spinosum은 인도네시아에서 생산된 것으로 자연 건조 후 분쇄 후 체를 이용하여 200 µm 이하의 입자만을 선별 하여 실험에 사용하였다. FeCl3는 Duksan Pure Chemicals 사(Korea)의 것을, 5-HMF, FA 그리고 LA는 Sigma-Aldrich 사의 것을 사용하였 다. 기타 시약은 시약 급을 사용하였다.
2-2. 실험방법
E. spinosum을 FeCl3촉매하에서 수열 반응을 이용한 화학중간 체(platform chemicals)의 생산을 위해 다음과 같이 진행하였다. 각 실험은 회분식 반응기(스테인리스 스틸, 50 mL)를 사용하였으며, 반응기에 5%의 바이오매스와 촉매 용액을 넣어 10분간 혼합하여 균일한 반응물이 되도록 한 후 반응을 시작하였으며, 초기 반응액의 부피는 25 mL가 되도록 하여 실험을 수행하였다. 반 조건은 반응 온도, 촉매농도, 반응시간을 변수로 하여 실험계획법에 의해 디자 인된 조건으로 실험을 수행하였다. 반응기 내부의 온도가 설정 온 도에 도달하는 시점(약 5 min 정도)을 0 min으로 실험을 시작하였다.
반응기 온도는 기름 중탕을 이용하여 설정된 온도를 PID 온도 컨트 롤러를 이용하여 조절하여 일정 반응시간 동안 진행하였다. 반응기 내의 반응물은 마그네틱 바를 이용하여 약 500 rpm으로 혼합하였다.
반응이 종료되면 반응기를 냉각수를 이용하여 빠르게 냉각시킨 후 시료를 취하여 17,000 rpm으로 10 min 동안 원심분리한 후 상등액을 실린지 필터(0.2 um)로 여과하여 HPLC 분석에 사용하였다[11,12].
2-3. 실험계획 및 통계분석
반응표면분석법을 적용한 실험계획을 디자인하기 위하여 Design- Expert 9 software (Stat-Ease, Inc., USA)를 이용하여 3-수준-3-인자의
Box-Behnken design을 적용하였다. 3가지의 반응인자(반응온도 (160~200 °C), 촉매농도(0.2~0.6 M), 반응시간(10~50 min)를 대상 으로 실험계획을 디자인하여 실험하였다. 실험 결과(Table 1)는 상 관관계 및 회귀분석을 통하여 model을 예측하였다. 모델식의 정확 도는 결정계수(R2)와 변이분석(ANOVA)을 이용하여 평가하였다 [11,12].
2-4. Severity factor
반응온도와 반응시간의 함수[SF=log [t exp(T–Tref)/14.75]]로 반 응의 가혹도(severity factor, SF)를 나타내었다. t는 반응시간(min), T(t)는 반응온도(°C), Tref는 기준 반응온도(100 °C), 그리고 14.75는 임의상수 값이다[18,23-25].
2-5. 분석 방법
시료 중의 5-HMF, FA, LA의 농도는 HPLC 시스템(Agilent 1100, USA)을 사용하였다. 굴절율 검출기, Aminex 87H 칼럼(Bio-rad사, USA)과 칼럼 온도 65 °C, 5 mM sulfuric acid를 이동상으로 0.6 mL/min의 유속으로 분석하였다[11,12].
3. 결과 및 고찰
3-1. E. spinosum으로부터 당과 화학중간체(platform chemicals) 생산
본 연구에서는 홍조류인 E. spinosum을 대상으로 FeCl3를 촉매로 사용하여 당과 화학중간체(platform chemicals)로 전환하고자 하였 다. FeCl3촉매 전환반응의 최적화를 위해 실험계획법(반응표면분 석법)을 적용하였다. Table 1에 실험계획법으로 디자인한 실험조건 과 결과를 나타내었다.
Table 1에 의하면, 160 °C, 0.4 M FeCl3, 10 min의 실험조건(Run 3)에서 가장 높은 5.18 g/L의 당이 생성되었다. LA는 다수의 실험 조건(Run 11, 13, 16)에서 가장 높은 4.3 g/L 내외의 LA가 생성되 었다. FA는 200 °C, 0.6M FeCl3, 30 min의 실험조건(Run 1)에서 가장 높은 3.77 g/L의 FA가 생성되었다. 5-HMF는 160 °C, 0.4 M FeCl3, 10 min의 실험조건(Run 3)에서 가장 높은 농도 3.01 g/L가 생성되었다.
5-HMF 생성 모델의 다중 회귀분석(ANOVA) 결과를 Table 3에 나타내었다. 모델 식은 모델의 F-value가 542.76으로 모델이 중요 하다고 판단되었다. 세 개의 1차식의 계수(A, B, C)와 세 개의 cross- product 계수(AB, AC, BC) 그리고 세 개의 2차식의 계수(A2, B2, C2)가 중요한 인자(p-values < 0.05)로 확인되었다.
Table 4에 LA의 모델식과 관련된 ANOVA 결과를 나타내었다.
모델 식의 F-value가 24.62로 모델 식이 적절하였다. 모델 식은 세 개의 1차식의 계수(A, B, C)와 두 개의 cross-product 계수(AB, AC)가 중요한 인자였다.
Table 5에 FA의 모델식 ANOVA 결과를 나타내었다. 모델 식의 F-value가 40.87로 모델 식이 적절하였다. 모델 식은 세 개의 1차식의 계수(A, B, C)와 한 개의 cross-product 계수(AB)가 중요한 인자로 나타났다.
반응변수(반응온도, 촉매량, 반응시간)에 대해 ANOVA 분석 (Table 3-5)과 다중 회기분석을 통하여 얻은 모델 추정 식을 Table 2에 나타내었다. 5-HMF, LA, FA의 모델식은 quadratic 또는 2FI
Table 2. Final model equation for monomeric sugar, 5-HMF, LA and FA responses resulting from experimental design
Response (g/L) Final equation in terms of actual factors Model R2 (Adj R2) 5-HMF = 62.473 – 0.506A – 0.365B – 31.873C + 0.001AB + 0.126AC + 0.093BC + 0.001A2 + 0.001B2 + 4.769C2 Quadratic 0.999 (0.997)
LA = - 11.250 + 0.075A + 0.169B + 16.798C – 0.001AB – 0.078AC – 0.039BC 2FI 0.943 (0.904) FA = - 7.295 + 0.053A + 0.108B + 5.896C – 0.001AB – 0.023AC − 0.022BC 2FI 0.965 (0.941) Monomeric sugar = 80.037 – 0.793A – 0.388B – 5.936C + 0.002AB + 0.104AC − 0.033BC + 0.002A2 + 0.001B2 – 13.973C2 Quadratic 0.814 (0.536) A(Reaction temperature,°C), B(Reaction time, min), C(Catalyst concentration, M) are the actual values of the independent factors.
Table 1. Experimental design and data for 3-level-3-factor response surface analysis in Box-Behnken design Reaction temp.
(°C), A
Reaction time (min), B
Catalyst conc.
(M), C
Products (g/L)
Monomeric sugar (g/L) LA FA 5-HMF
200 30 0.6 3.42 4.26 3.77 0.01
180 10 0.6 2.49 4.19 3.14 0.41
160 10 0.4 5.18 2.59 2.08 3.01
160 50 0.4 1.28 4.01 2.87 0.61
180 30 0.4 1.94 4.08 3.00 0.26
160 30 0.2 2.59 2.94 2.13 2.73
180 50 0.2 1.91 3.92 3.03 0.28
180 30 0.4 2.33 3.99 3.08 0.27
180 30 0.4 2.48 3.71 3.07 0.29
180 10 0.2 1.98 3.14 2.71 2.14
200 50 0.4 3.10 4.34 3.62 0.01
180 30 0.4 2.69 4.00 3.16 0.23
200 30 0.2 2.41 4.31 3.37 0.06
200 10 0.4 4.11 4.15 3.66 0.10
160 30 0.6 1.94 4.13 2.90 0.66
180 50 0.6 1.89 4.34 3.10 0.04
Table 3. ANOVA results for the response surface quadratic model for 5-HMF formation
Source Sum of squares DF Mean square F-value Prob. > Fa,b
Model 14.736 9 1.637 542.756 4.93E-08
A-Temperature 5.857 1 5.857 1941.538 9.15E-09
B-Time 2.793 1 2.793 925.809 8.36E-08
C-Catalyst conc. 2.093 1 2.093 693.681 1.98E-07
AB 1.327 1 1.327 440.035 7.65E-07
AC 1.019 1 1.019 337.874 1.67E-06
BC 0.552 1 0.552 182.824 1.01E-05
A2 0.675 1 0.675 223.711 5.62E-06
B2 0.275 1 0.275 91.080 7.56E-05
C2 0.146 1 0.146 48.255 0.000441
Residual 0.018 6 0.003
Lack of Fit 0.017 3 0.006 10.419 0.04282
Pure Error 0.002 3 0.001
Cor Total 14.754 15
Table 4. ANOVA results for the response surface 2FI model for LA formation
Source Sum of squares DF Mean square F-value Prob. > Fa,b
Model 3.943 6 0.657 24.624 4.23E-05
A-Temperature 1.426 1 1.426 53.442 4.51E-05
B-Time 0.800 1 0.800 29.965 0.000393
C-Catalyst conc. 0.857 1 0.857 32.121 0.000307
AB 0.376 1 0.376 14.077 0.004542
AC 0.387 1 0.387 14.487 0.004178
BC 0.097 1 0.097 3.653 0.088289
Residual 0.240 9 0.027
Lack of Fit 0.162 6 0.027 1.042 0.530009
Pure Error 0.078 3 0.026
Cor Total 4.183 15
모델의 R2 값이 0.94 이상(Adj. R2 값은 0.90 이상)의 높은 값을 나 타내어 모델식이 적절히 예측하리라 판단된다. 단당(monomeric sugar)의 모델식은 상대적으로 낮은 R2값을 나타내었다.
Fig. 1은 반응인자가 모델식에 미치는 영향을 비교한 것이다. 5- HMF 모델에서는 반응온도(A), 반응시간(B), 촉매농도(C)가 부정 적인 영향을 주었고, 나머지 AB, AC, BC, A2, B2, C2은 긍정적인 영향을 주었다. LA 모델에서는 A, B, C가 긍정적인 영향을, 나머 지 AB, AC, BC는 부정적인 영향을 나타내었다. FA 모델에서는 LA 모델과 유사하게 반응 인자들이 영향을 나타내었다. 이는 LA와
FA가 5-HMF의 과분해 반응을 통해 생성되는 기작에 의한 것으로 판단된다.
Fig. 2는 E. spinosum으로부터 당과 화학중간체의 생성에 미치는 반응 인자들의 영향을 나타내었다. 5-HMF 생성에는 세 반응 인자 들의 크기가 커질수록 5-HMF가 감소하는 경향을 보였다(Fig.
2(A)). LA 생성은 세 반응인자의 크기가 커질수록 증가하는 경향을 보였다(Fig. 2(B)). FA의 경우에서도 세 반응 인자의 크기가 증가할 수록 선형적으로 증가하였으며, 특히 반응온도(A)의 영향이 크게 나타났다. 단당의 경우에서는 반응온도의 증가에 따라 감소하다가 이후 증가하는 경향을, 반응시간이 증가할수록 감소하는 경향을, 그리고 촉매농도의 증가에 따라 증가하다 감소하는 경향을 보였다.
Fig. 3은 E. spinosum으로부터 5-HMF의 생성에 반응인자가 미 치는 상호작용을 나타내었다. Fig. 3(A)에 0.4M의 FeCl3촉매농도 하에서 5-HMF 생성에 미치는 반응온도와 반응시간의 상호작용을 나타내었다. 낮은 반응온도 조건에서 반응시간이 증가할수록 5- HMF 생성이 감소하였다. 높은 온도에서는 반응시간에 의한 영향 이 없었다. 이는 높은 반응온도에서는 짧은 시간에 당이 5-HMF로 전환된 후 과분해 반응으로 인해 5-HMF가 분해되었기 때문으로 판단된다[10,11,18]. Fig. 3(B)는 30 min 반응시간에서 5-HMF의 생성에 반응온도와 촉매농도가 미치는 상호관계를 나타낸 것이다.
낮은 반응온도에서는 촉매농도가 증가할수록 5-HMF의 생성이 감 소하였다. 높은 반응온도에서는 촉매농도에 상관없이 낮게 나타났 다. Fig. 3(C)는 180 °C에서 5-HMF 생성에 미치는 반응시간과 촉 매농도의 상호관계를 나타낸 것이다. 촉매농도와 반응시간의 증가 에 따라 5-HMF의 생성은 감소하였다. 5-HMF의 생성에는 낮은 반 응온도와 촉매농도, 그리고 짧은 반응시간에서 증가하였다. 종합적 Fig. 1. Effect of explanatory factors on 5-HMF, LA, and FA formation.
A (Reaction temperature), B (Catalyst concentration), C (Reac- tion time).
Table 5. ANOVA results for the response surface 2FI model for FA formation
Source Sum of squares DF Mean square F-value Prob. > Fa,b
Model 3.179 6 0.530 40.872 4.98E-06
A-Temperature 2.460 1 2.460 189.803 2.36E-07
B-Time 0.132 1 0.132 10.153 0.01107
C-Catalyst conc. 0.349 1 0.349 26.940 0.000571
AB 0.172 1 0.172 13.238 0.005414
AC 0.035 1 0.035 2.671 0.136621
BC 0.031 1 0.031 2.425 0.153855
Residual 0.117 9 0.013
Lack of Fit 0.105 6 0.018 4.504 0.122191
Pure Error 0.012 3 0.004
Cor Total 3.296 15
Table 6. Comparisons of 5-HMF, FA and LA production
Species Reaction conditions Product/concentration References
G. verrucosa 140°C, 7.5 liquid/solid ratio, 15% Amberlyst 15, 150 min 10.7 g/L 5-HMF, 2.5 g/L LA [7]
G. verrucosa 180°C, 10% biomass amount, 0.5M MSA, 20 min 22.02% LA [8]
K. alvarezii 178.2°C, 62.5 g/L biomass amount, 2.87% H2SO4, 39.3 min 18.7% LA [9]
Enteromorpha intestinalis 175°C, 3.7% H2SO4, 35 min 4.0% LA [10]
Sargassum fulvellum 189.5°C, 2.93% H2SO4, 48.8 min 2.65 g/L LA [20]
Gelidium amansii 160.0°C, 3.0% H2SO4, 43.1 min 9.74 g/L LA [5]
Codium fragile 160.7°C, 3.9% H2SO4, 39.1 min 4.26 g/L LA [6]
Corn stalk 180°C, 0.5 mol/L FeCl3, 40 min 16.14 g/L LA [21]
E. spinosum 160°C, 0.4M FeCl3, 10 min 200°C, 0.6M FeCl3, 30 min 200°C, 0.6M FeCl3, 30 min
2.96 g/L 5-HMF 4.26 g/L LA 3.77 g/L FA
This work
으로 5-HMF의 생성은 반응온도, 촉매농도가 낮을수록, 그리고 반 응시간이 짧을수록 높게 나타났다.
Fig. 4는 LA의 생성에 반응인자가 미치는 상호작용에 의한 영향을 나타낸 것이다. 0.4 M의 촉매하에서 LA의 생성에 반응온도와 반응 시간이 미치는 상호관계를 나타낸 결과(Fig. 4(A)), 짧은 반응시간 조건에서는 반응온도가 증가할수록 LA의 생성이 증가하였으나, 긴 반응시간에서는 온도가 증가하더라도 큰 증가를 보이지 않았다.
Fig. 4(B)는 30 min의 반응시간 조건에서 반응온도와 촉매농도의 상호관계를 나타내었다. 낮은 촉매농도 조건에서는 반응온도 증가 에 따라 LA 생성이 증가하였으며, 높은 촉매 농도에서는 큰 영향을 보이지 않았다. 또한, 낮은 반응온도에서는 촉매농도가 증가할수록 생성률이 증가하였으나, 높은 온도에서는 촉매농도에 큰 영향을 보 이지 않았다. 180 °C 조건에서 LA의 생성에 반응시간과 촉매농도 가 미치는 영향을 나타낸 결과(Fig. 4(C)), 촉매농도가 증가할수록, 그리고 반응시간이 증가할수록 LA의 생성이 증가하는 경향을 나타 내었다. 총괄적으로 LA의 생성은 반응온도가 높을수록, 촉매농도 가 높을수록 높게 나타났다.
Fig. 5는 FA의 생성에 미치는 반응인자의 상호작용에 의한 영향을 나타낸 것이다. 0.4 M의 촉매하에서 FA의 생성에 반응온도와 반응 시간의 상호작용을 나타낸 결과(Fig. 5(A)), LA의 경우와 유사하게
짧은 반응시간에서는 반응온도의 증가에 따라 FA의 생성이 증가하 였으나, 긴 반응시간에서는 온도가 증가하는 정도가 낮았다. 또한, 고온의 조건에서는 반응이 진행됨에 따라 FA의 생성이 줄어들었다.
이는 고온의 가혹한 조건에서 FA가 이산화탄소와 수소로 과분해 된 것으로 판단된다[2,18]. 30 min의 반응시간 조건에서 반응온도와 촉매농도의 상호영향을 나타낸 결과(Fig. 5(B)), 반응온도 증가에 따라 FA 생성이 증가하였으며, 촉매농도가 증가할수록 증가하는 경향을 보였다. 가장 높은 FA 생성은 높은 온도와 높은 촉매농도 조건에서 나타났다. 180 °C 조건에서 FA의 생성에 미치는 반응시 간과 촉매농도의 영향을 나타낸 결과(Fig. 5(C)), 높은 촉매농도와 짧은 반응시간에서 높은 FA 생성이 이루어졌다. 총괄적으로 FA의 생성은 LA의 경우와 유사하게 반응온도가 높을수록, 촉매농도가 높을수록 높게 나타났다.
FeCl3촉매하에서 E. spinosum으로부터 5-HMF, LA, FA의 생성을 위해 반응표면분석법을 적용하여 반응변수의 최적화를 수행하여 최적의 반응조건을 얻었다. 5-HMF의 최적 생성 조건은 160 °C, 0.4 M FeCl3, 그리고 10 min에서 3.01 g/L의 생성이 예측되었다. LA는 200 °C, 0.6M FeCl3, 30 min의 조건에서 4.32 g/L의 생성이 예측되 었다. 또한, FA도 200 °C, 0.6M FeCl3, 30 min의 조건에서 3.71 g/L의 생성이 예측되었다. 모델식을 통한 최적화 조건에서 얻은 결과를 Fig. 2. Perturbation plot for comparing the effects of reaction temperature, catalyst concentration and reaction time on the formation of 5-
HMF (A), LA (B), FA (C) and monomeric sugar (D) from E. spinosum under constant reaction condition.
검증하기 위하여 각각의 최적 조건에서의 5-HMF, LA 그리고 FA의 생성을 비교한 결과, 각각 5-HMF가 2.96±0.221 g/L, LA는 4.26±0.06 g/L, FA는 3.77±0.04 g/L가 생성되었으며, 예측된 값과 95% 이상 의 만족도를 나타내었다.
다양한 해조류로부터 화학중간체(platform chemicals)로의 전환과 관련된 여러 연구결과를 Table 3에 비교하였다[7-12,26]. 홍조류인 G. verrucosa에 산성 고체촉매(Amberlyst 15)를 촉매로 수열 반응 하여 7.5 liquid/solid 비, 15% 고체촉매, 140 °C, 150 min의 조건에서 10.7 g/L의 5-HMF와 2.5 g/L의 LA의 생성을 보고하였다[9]. Park 등[10]에 의하면 MSA 촉매 하의 수열 반응(180 °C, 10% 바이오매 스량, 0.5 M MSA, 20 min)에서 G. verrucosa로부터 22.02% 수율의 Fig. 3. Response surface plot representing the effect of reaction tempera-
ture, catalyst concentration, reaction time, and the reciprocal interaction of these factors on the production of 5-HMF from E. spinosum at a constant reaction condition. (A) At a constant 30 min; (B) At a constant 0.4 M FeCl3; (C) At a constant 180 °C.
Fig. 4. Response surface plot representing the effect of reaction tem- perature, catalyst concentration, reaction time, and the recipro- cal interaction of these factors on the production of LA from E. spinosum at a constant reaction condition. (A) At a constant 30 min; (B) At a constant 0.4 M FeCl3; (C) At a constant 180 °C.
LA를 생성하였다고 보고하였다. 또한, Lee 등[11]은 홍조류인 K.
alvarezii를 황산을 촉매로 사용하여 가수분해(178.2 °C, 62.5 g/L 바이오매스, 2.87% H2SO4, 39.3 min)하여 18.7% 수율의 LA 생성을 보고하였다. 또한, 홍조류인 Gelidium amansii로부터는 9.74 g/L의 LA가 보고되었다[7]. 그러나 Kim 등[12]은 녹조류인 Enteromorpha
intestinalis의 열수 가수분해(175 °C, 3.7% H2SO4, 35 min)에서 단지 4.0%의 LA 수율이 보고하였다. 또 다른 녹조류인 Codium fragile 으로부터는 4.26 g/L의 LA가 생성되었다고 보고되고 있다[8]. 갈조 류인 Sargassum fulvellum을 대상으로 열수 가수분해(189.5 °C, 2.93%
H2SO4, 48.8 min) 반응의 결과 2.65 g/L의 LA를 보고하였다[26].
FeCl3를 촉매로 이용하여 해조류로부터 열화학적인 방법으로 chemicals로 전환한 연구결과는 아직 보고되지 않았으나, 목질계 자원을 대상으로 연구된 결과는 다음과 같았다. Zheng 등[16]은 기 질로 corn stalk을 사용하여 FeCl3를 촉매로 사용하여 LA를 생산하는 연구에서 180 °C, 0.5 mol/L FeCl3, 40 min의 조건에서 최대 16.14 g/L의 LA를 얻었고, FeCl3가 corn stalk로부터 glucan hydrolysis와 LA 생산에 효율적인 촉매로 판단하였다. 기존의 연구결과와 비교 하면, 해조류로부터 산성 촉매를 이용한 화학중간체로의 전환한 다 수의 연구결과가 있으나, FeCl3를 촉매로 해조류에 적용한 연구는 미미한 것으로 판단되어 직접적인 비교에는 어려움이 있었다. 본 연구에서 E. spinosum과 FeCl3를 촉매로 사용한 경우는 해조류를 대상으로 산 촉매를 사용한 경우에 비해 낮은 전환수준인 것으로 판단된다. 또한, 목질계 자원인 corn stalk를 이용한 연구[16]에서는 FeCl3촉매에 의해 glucan이 가수분해되고 LA로 전환되는 결과를 나타내어 다양한 종류의 해조류를 대상으로 한 추가적인 연구가 필 요하다고 판단된다.
3-2. Severity factor의 영향
Fig. 6은 severity factor가 화학중간체의 생성에 미치는 관계를 나타낸 것이다. 5-HMF (Exponential decay model, f=y0+a×exp(-b×x), y0=-0.446, a=160.256, b=1.372, R2=0.849)의 경우에서는 severity factor가 증가할수록 급격히 감소하는 경향을 보였다. LA (Sigmoidal model, f=a/(1+exp(-(x-x0)/b), a=4.299, b=0.454, x0=2.559, R2=0.794) 와 FA (Sigmoidal model, f=a/(1+exp(-(x-x0)/b), a=3.997, b=0.898, x0=2.660, R2=0.852)의 경우는 severity factor가 증가함에 따라 증 가하는 경향을 나타내었다. 이는 어느 이상의 가혹한 severity factor의 조건에서는 E. spinosum으로부터 생성된 5-HMF가 LA와 FA로 과분해되었기 때문이라고 판단된다[10,11,18].
Fig. 5. Response surface plot representing the effect of reaction temperature, catalyst concentration, reaction time, and the reciprocal interaction of these factors on the production of FA from E. spinosum at a constant reaction condition. (A) At a constant 30 min; (B) At a constant 0.4M FeCl3; (C) At a constant 180 °C.
Fig. 6. Effect of severity factor on the formation of 5-HMF, levulinic and formic acids by FeCl3-catalyzed hydrothermal reaction of E. spinosum.
4. 결 론
본 연구에서는 홍조류인 E. spinosum을 대상으로 수열전환반응을 통하여 화학중간체(platform chemicals)로 전환하기 위하여 FeCl3
촉매와 반응표면분석법을 적용하였다. 화학중간체 생성에 영향을 주는 반응 인자들의 상호작용을 확인한 결과, 실험범위 내에서 5- HMF는 반응온도와 촉매농도가 낮을수록, 그리고 반응시간이 짧을 수록 높게 나타났다. LA와 FA는 반응온도와 촉매농도가 높을수록 높게 나타났다. 반응표면분석법을 통한 최적화 결과, 5-HMF는 160 °C, 0.4M FeCl3, 10 min에서 2.96 g/L가 생성되었다. LA와 FA는 200 °C, 0.6M FeCl3, 30 min의 조건에서 각각 4.26 g/L와 3.77 g/L가 생성되었다. 위의 결과는 거대 해조류인 E. spinosum을 화학중간체 로 전환할 수 있는 바이오매스 자원으로서의 가능성을 확인하였다.
감 사
This work was supported by a Research Grant of Pukyong National University (2019 Year).
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